3.6 Alarmanlage mit Bereitschaftsanzeige

von Andreas Thaler

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Diese Schaltung von Burkhard Kainka gleicht weitgehend der Schaltung 3.5 Gekoppelte Schalter. Der Unterschied besteht darin, dass die Basis von T1 nicht direkt über den Pluspol der Spannungsversorgung, sondern über den Kollektor von T1 mit Strom versorgt wird.

Wenn S1 geschlossen ist, befindet sich die Alarmanlage im Bereitschaftsmodus. Die Basis-Emitter-Strecke von T1 wird nach Masse kurzgeschlossen. Die grüne LED sollte schwach leuchten, obwohl sie einen Ersatzvorwiderstand von 332 kOhm nachgeschaltet hat, was einen relativ geringen LED-Strom bedeutet. T1 wird nicht durchgeschaltet, damit auch nicht T2, da T1 ohne Basisstrom sperrt und folglich ohne Emitterstrom keine Spannung an R3 abfällt. Ohne Basis-Emitter-Spannung (gebildet durch den Spannungsabfall an R3) kann T2 nicht durchschalten. Die rote LED bleibt dunkel.

Bei geöffnetem S1 fließt Strom über die Basis-Emitter-Strecke von T1 – der Transistor sollte (bei angenommenem Verstärkungsfaktor B = 500) trotz hohem Ersatzvorwiderstand durchschalten und die grüne LED leuchten. Der Emitterstrom von T1 teilt sich auf: Über R3 nach Masse und über die Basis-Emitter-Strecke von T2. T2 sollte durchschalten und die rote LED leuchten.

 

 

Berechnungen

 

Da die Schaltung weitgehend der Schaltung 3.5 entspricht, siehe die Berechnungen dort.

Interessant ist die Verbindung des Kollektors von T1 mit seiner Basis über R2. Basis- und Kollektorstrom sollten sich gemäß Verstärkungsfaktor B = IC/IB von selbst einstellen. Als Verstärkunsfaktor wird in der anschließenden Schaltungssimulation ebenfalls B = 500 angenommen. Das bedeutet, dass der Kollektorstrom 500 mal größer als der Basisstrom ausfallen sollte.

 


 

Simulation

 

Schalter geschlossen

 

B = 500 für beide Transistoren

 

Der Spannungsabfall an LED1 (grün) liegt mit 1,29 Volt deutlich unter der angenommenen Flussspannung von 2,0 Volt, die LED bleibt daher dunkel. Beide Transistoren sperren, damit leuchtet auch LED2 (rot) nicht.

 

 

Schalter geöffnet

 

 

 

B = 500 für beide Transistoren

 

Der Kollektorstrom von T1 ist in der Simulation 500mal größer als sein Basisstrom.

An T1 ist UBC = 2,06 Volt. Der Transistor schaltet aufgrund seines geringen Basisstroms nicht voll durch.

Der Spannungabfall an der LED1 (grün) liegt mit 1,76 Volt unter der angenommenen Flusspannung von 2,0 Volt. Damit bleibt die LED in der Simulation dunkel.

An R3 und damit an der Strecke UBE T2 fallen 770 mV ab. Der daraus resultierende Basisstrom IB T2 = 1,24 mA schaltet T2 voll durch. Die rote LED leuchtet.

 

 


 

Aufbau der Schaltung

 

Schalter geschlossen

 

 

Die Schaltung wird auf dem Experimentier-Steckboard EXSB1 von ELV aufgebaut. S1 wird über den Schalter S3 rechts unten im Bild realisiert.

Beide LEDs bleiben dunkel.

 

 

 

 

Schalter geöffnet


 

 

Beide LEDs leuchten.

 

 


 

Schaltungswerte

 

Spannungen

 

Simulation

Schalter geschlossen (V)

Simulation

Schalter
geöffnet (V)

Messung

Schalter geschlossen (V)

Messung

Schalter geöffnet (V)

UCE T1

7,65

2,06

7,04

2,25

UCE T2

9,00

0,05

7,31

0,02

UBE T1

0,00

0,74

0,00

0,65

UBE T2

0,00

0,77

0,00

0,73

ULED1

1,29

1,76

1,66

1,92

ULED2

0,00

1,63

0,00

1,89

UR1

0,06

4,41

0,05

3,85

UR2

7,65

1,32

7,05

1,56

UR3

0,00

0,77

0,00

0,73

UR4

0,00

7,32

0,00

6,84

 


Ströme

 

Simulation

Schalter

geschlossen (mA)

Simulation

Schalter
geöffnet (mA)

Messung/Berechnung

Schalter
geschlossen (mA)

Messung/Berechnung

Schalter
geöffnet (mA)

IC T1

0,02

2,01

0,02 (berechnet)1

1,75 (berechnet)4

IC T2

0,00

3,33

0,00 (berechnet)2

3,11 (berechnet)5

IB T1

0,00

0,004

0,02 (berechnet)3

0,005 (berechnet)6

IB T2

0,00

1,24

0,00

0,89

 



Verstärkungsfaktor B für T1 (Schalter geöffnet)

B = IC T1/IB1
B = 1,75*10-3 A/0,005*10-3 A
B = 350

 

Verstärkungsfaktor B für T2 (Schalter geöffnet)

B = IC T2/IB2
B = 3,11*10-3 A/0,89*10-3 A
B ~ 3,49

Ein höherer Verstärkungsfaktor ist wegen der Strombegrenzung durch LED2 und R4 nicht möglich.

 

 

 

___

1 I = U/R => IC T1 = UR1/R1 => IC T1 = 0,05 V/2,2*103 Ohm = 22,73 uA

2 I = U/R => IC T2 = UR4/R4 => IC T1 = 0,00 V/2,2*103 Ohm = 0,00 A

3 I = U/R => IB T1 = UR2/R2 => IB T1 = 7,05 V/330*103 Ohm = 21,36 uA

4 I = U/R => IC T1 = UR1/R1 => IC T1 = 3,85 V/2,2*103 Ohm = 1,75 mA

5 I = U/R => IC T2 = UR4/R4 => IC T1 = 6,84 V/2,2*103 Ohm = 3,11 mA

6 I = U/R => IB T1 = UR2/R2 => IB T1 = 1,56 V/330*103 Ohm = 4,73 uA

 

 

Fazit

 

Die simulierten und gemessenen Spannungs- und Stromwerte gehen auch diesmal wieder gut zusammen.

Einen Mess-Ausreißer gibt es bei „Schalter geschlossen“ mit UCE T2, s. Tabelle (rot). An T2 müsste bei IB T2 = 0 Ampere die volle Eingangsspannung in der Höhe von 9 Volt abfallen, da der Transistor ohne Basisstrom sperrt und damit den größten Widerstand in der Reihenschaltung mit LED2 und R4 bildet. Dennoch fallen bei IB = 0 Ampere laut Messung mit dem Multimeter nur 7,31 Volt ab.

Die Erklärung dafür ist, dass UCE T2 hochohmig ist und daher bei der Spannungsmessung der Innenwiderstand des Multimeters mit 10 MOhm relevant wird (Parallelschaltung, Stromabfluss über das Multimeter, Einbruch der Spannung am gemessenen Widerstand = UCE).

Ansonsten gilt im Wesentlichen das für 3.5 Gesagte.

Bei nichtlinearen Schaltungen wird die Handberechung/Schätzung schwierig, es lohnt sich daher die Simulation der Schaltung. Erst die Messung zeigt die tatsächlichen Werte einer vorliegenden Schaltung, die bei Bedarf schaltungstechnisch geändert/angepasst werden können.

In der Praxis würde es ausreichen, die Dimensionierung der Schaltung nach Erfahrungswerten vorzunehmen und die Schaltung dann anzupassen.

(Kommentar B.K: Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen Versuch 3.5 und Versuch 3.6. Bei 3.5 schaltet der erste Transistor tatsächlich voll durch. Aber bei 3.6 habe ich einen relativ großen Widerstand mit 330 K zwischen B und C gelegt. Damit schaltet der Transistor T1 nur noch „halb“ durch, während T2 voll durchgesteuert wird. Der eigentliche Grund liegt aber im ausgeschalteten Betrieb. Dann fließen nur noch 23 µA durch die LED, was eine lange Batterielebensdauer bedeutet. Auf dem Foto ist die grüne LED zwar aus, aber das liegt an der starken Beleuchtung. Bei schwacher Beleuchtung wie in einem finsteren Schaltschrank würde man die LED klar erkennen. Die LED im Lernpaket ist auch bei normaler Zimmerbeleuchtung noch klar zu sehen.)